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什么是量子计算机?

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量子计算机有潜力显着增加计算的多样性和准确性,为计算机开辟新的应用并增强我们的物理现象模型。然而,尽管媒体对量子计算机的报道越来越多,但许多人仍然不确定量子计算机与普通计算机有何不同。让我们来看看量子计算机的工作原理、它们的一些应用以及它们的未来。

什么是量子计算机?

在我们能够有意义地研究量子计算机如何 操作,我们需要首先定义 量子计算机。 量子计算机的简短定义是:基于量子力学的计算机,能够以比传统计算机更高的效率执行某些复杂的计算。 这是量子计算机的快速定义,但我们需要花一些时间来真正理解量子计算机与传统计算机的区别。

常规计算机使用二进制系统对信息进行编码:将数据的每一位表示为 XNUMX 或 XNUMX。 一系列的 XNUMX 和 XNUMX 链接在一起来表示复杂的信息块,例如文本、图像和音频。 然而,在这些二进制系统中,信息只能存储为 XNUMX 和 XNUMX,这意味着数据的表示和解释方式存在严格限制,并且随着数据变得越来越复杂,它必然会变得越来越长的 XNUMX 字符串和零。

量子计算机之所以能够更有效地存储和解释数据,是因为它们不使用位来表示数据,而是使用“量子比特”。 量子位是亚原子粒子,如光子和电子。 量子位有几个有趣的属性,使它们对于新的计算方法很有用。 量子位有两个计算机工程师可以利用的属性: 叠加和纠缠。

量子叠加允许量子位不仅存在于“一”状态或“零”状态,而且沿着这些状态之间的连续体存在,这意味着可以使用量子位保存更多信息。 同时,量子纠缠是指一种可以生成成对量子位的现象,如果一个量子位被改变,另一个量子位也会以可预测的方式改变。 这些量子特性可用于以更有效的方式表示和构造复杂数据。

量子计算机如何运行

量子“叠加”之所以得名,是因为它们一次可以处于多个位置。 虽然位只能处于两个位置,但量子位可以同时存在于多个状态。

部分由于量子叠加的存在,量子计算机能够同时计算许多不同的潜在结果。 计算完成后,就会测量量子位,通过量子态塌缩到 0 或 1 来创建最终结果,这意味着结果可以由传统计算机解释。

量子计算研究人员和工程师可以使用微波或精密激光来改变量子位的位置。

计算机工程师可以利用量子纠缠来显着提高计算机的处理能力。 量子纠缠是指两个量子位可以以这样的方式连接在一起,即改变其中一个量子位就会以可靠的方式改变另一个量子位。 目前尚不完全清楚为什么量子位可以建立这样的关系或这种现象到底是如何运作的,但科学家们确实对它有足够的了解,有可能将其用于量子计算机。 由于量子纠缠,向量子机器添加额外的量子位不仅可以使计算机的处理能力加倍,还可以呈指数级扩展处理能力。

如果这一切看起来有点太抽象,我们可以通过想象一个迷宫来描述叠加的用途。 对于普通计算机来说,要尝试解决迷宫问题,它必须尝试迷宫中的每条路径,直到找到成功的路线。 然而,量子计算机本质上可以同时探索所有不同的路径,因为它不受任何一种给定状态的束缚。

所有这一切都表明,纠缠和叠加的特性使量子计算机变得有用,因为它们可以处理不确定性,它们能够探索更多可能的状态和结果。 量子计算机将帮助科学家和工程师更好地建模和理解具有许多变量的多方面情况。

量子计算机有什么用?

现在我们对量子计算机的运行方式有了更好的直觉,让我们探索一下可能的情况 量子计算机的用例。

我们已经提到了这样一个事实:量子计算机可以用来以更快的速度执行传统计算。 然而,量子计算机技术可以用来实现传统计算机不可能实现或非常不切实际的事情。

量子计算机最有前途和最有趣的应用之一是人工智能领域。 量子计算机有能力改进神经网络创建的模型以及支持它们的软件。 谷歌目前正在使用其量子计算机 协助创建自动驾驶车辆。

量子计算机在分析方面也可以发挥作用 化学相互作用和反应。 即使是最先进的普通计算机也只能模拟相对简单的分子之间的反应,这是通过模拟相关分子的特性来实现的。 然而,量子计算机允许研究人员创建具有与他们正在研究的分子完全相同的量子特性的模型。 更快、更准确的分子建模将有助于开发新的治疗药物和新材料,用于创建能源技术,例如更高效的太阳能电池板。

量子计算机也可以使用 以更好地预测天气。 天气是许多事件的汇合,用于预测天气模式的公式很复杂,包含许多变量。 执行预测天气所需的所有计算可能需要很长时间,在此期间天气状况本身可能会发生变化。 幸运的是,用于预测天气的方程具有量子计算机可以利用的波动性质。 量子计算机可以帮助研究人员建立更准确的气候模型,这在气候变化的世界中是必要的。

量子计算机和算法也可用于帮助确保人们的数据隐私。 量子密码学 利用量子不确定性原理,任何测量物体的尝试最终都会导致该物体发生变化。 尝试拦截通信会影响最终的通信并显示篡改的证据。

量子计算的未来

量子计算机的大部分用途将仅限于学术界和企业界。 消费者/公众不太可能获得量子智能手机,至少短期内不会。 这是因为它需要专门的设备来操作量子计算机。 量子计算机对干扰高度敏感,因为即使周围环境最微小的变化也会导致量子位移动位置并脱离叠加状态。 这称为退相干,这也是量子计算机的进步与普通计算机相比似乎进展缓慢的原因之一。 量子计算机通常需要在极低的温度条件下运行,并与其他电气设备隔离。

即使采取了所有预防措施,噪声仍然会在计算中造成错误,研究人员正在寻找使量子位更加可靠的方法。 为了实现量子霸权(量子计算机的能力完全超越当前超级计算机的能力),量子位需要连接在一起。 一台真正的量子超级计算机可能需要数千个量子位,但当今最好的量子计算机可以 通常只处理大约 50 个量子位。 研究人员不断致力于创造更稳定、更可靠的量子位。 量子计算机领域的专家预测,强大且可靠的量子设备 可能会在十年内到达这里。